2020年5月25日，Nature Chemistry在線發(fā)表中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院以及中國中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心合作完成的題為FAD-dependent Enzyme-catalysed Intermolecular [4+2] Cycloaddition in Natural Product Biosynthesis 的研究論文，報(bào)道了自然界中首例催化分子間[4+2]環(huán)加成反應(yīng)、單功能Diels-Alderase（環(huán)化酶）。
Diels-Alder反應(yīng)是一種共軛二烯體和親二烯體之間的協(xié)同[4+2]環(huán)加成反應(yīng)，為有機(jī)合成化學(xué)中選擇性構(gòu)筑碳-碳鍵及復(fù)雜碳環(huán)的重要方法之一。Diels-Alder反應(yīng)存在于眾多天然產(chǎn)物生物合成過程中，造就了天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及生物活性的多樣性，相關(guān)Diels-Alderase一直引起科學(xué)家的高度關(guān)注。目前報(bào)道的Diels-Alderase多為催化分子內(nèi)Diels-Alder反應(yīng)、多功能酶，且多來源于微生物，而來源于植物、催化分子間Diels-Alder反應(yīng)的單功能Diels-Alderase尚無報(bào)道。植物源天然產(chǎn)物生物合成相關(guān)基因往往不成簇，已報(bào)道的Diels-Alderase多分屬不同酶家族、無系統(tǒng)進(jìn)化上的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)困難。
該研究基于酶活性的蛋白分離純化、蛋白質(zhì)組及轉(zhuǎn)錄組學(xué)、生物合成中間體探針 (biosynthetic intermediate probe)等多技術(shù)相結(jié)合，從桑培養(yǎng)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)并鑒定了一FAD依賴的單加氧酶MaDA，能高效、嚴(yán)格立體選擇性地催化分子間[4+2]環(huán)加成反應(yīng)形成典型的環(huán)己烯結(jié)構(gòu)單元，且對(duì)二烯體及親二烯體均具較寬的底物譜；同時(shí)鑒定了另一FAD依賴的單加氧酶MaMO能催化異戊烯基氧化形成二烯體，二者共同完成了桑中chalcomoracin等異戊烯黃酮類Diels-Alder加合物生物合成關(guān)鍵反應(yīng)(圖1)。密度泛函理論計(jì)算(DFT)及動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)(KIE)實(shí)驗(yàn)顯示該反應(yīng)為協(xié)同、非同步的周環(huán)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)生物學(xué)結(jié)合定點(diǎn)突變闡明了[4+2]環(huán)加成反應(yīng)過程中底物與酶之間相互作用的分子機(jī)理。MaDA為自然界中首例催化分子間[4+2]、單功能Diels-Alderase，它的發(fā)現(xiàn)不僅揭示了桑中Diels-Alder加合物生物合成途徑中關(guān)鍵反應(yīng)的酶學(xué)機(jī)制，而且為天然產(chǎn)物生物合成未知關(guān)鍵酶的發(fā)現(xiàn)提供了借鑒，同時(shí)還為結(jié)構(gòu)多樣藥用天然產(chǎn)物高效立體選擇性酶化學(xué)法合成提供了強(qiáng)有力工具。
圖1. MaDA高效立體選擇性催化[4+2]環(huán)加成反應(yīng)生成DA加合物Chalcomarocin
中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴均貴研究員、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院雷曉光教授以及中國中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心黃璐琦研究員為該文的共同通訊作者；雷曉光和戴均貴課題組聯(lián)合培養(yǎng)博士生高磊、戴均貴課題組博士生蘇聰、雷曉光課題組博士后杜曉霞和中國中醫(yī)科學(xué)院助理研究員王瑞杉為該文的并列第一作者。美國加州大學(xué)洛杉磯分校K.N. Houk教授、北京生命研究所黃牛及陳涉教授、日本北海道大學(xué)H. Oikawa教授及帝京平成大學(xué)M. Shimazaki教授研究組參與了該項(xiàng)研究。該工作得到了國家重大專項(xiàng)“重大新藥創(chuàng)制”、國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（項(xiàng)目編號(hào)：2016-I2M-3-012）、名貴中藥資源可持續(xù)利用能力建設(shè)項(xiàng)目等基金的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-020-0467-7
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